Unidad 3

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Unidad 3
4/5/2009
Unidad 3
Electrónica II
UNIDAD 3: CONFIGURACIONES
COMPUESTAS
OBJETIVO PARTICULAR
El alumno estudiará los diferentes tipos de
configuraciones y su análisis
3.1 Conexiones en cascada, cascode y Darlington
3.2 Par retroalimentado
3.3 Circuito CMOS, de fuente de corriente, amplificador
diferencial
3.4 Espejo de corriente
3.5 Circuito de amplificador diferencial BiFET, BiMOS y
CMOS
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Introducción
Generación de circuitos con ganancias de corriente muy
grandes.
Circuitos mixtos para operar a muy baja potencia.
Fuentes de corriente que proporcionan una corriente
constante a diversos bloques en un sistema.
Amplificadores diferenciales como la parte básica de un
amplificador operacional.
3.1 Conexiones en cascada, cascode y Darlington
Una conexión en cascada es la conexión en serie con la
salida de una etapa aplicada como la entrada a la segunda
etapa.
Además la ganancia en una conexión en cascada
proporciona una multiplicación de las ganancias de las
etapas.
(
)(
Av = Av1 Av2 = − g m1 RD1 − g m2 RD2
)
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El siguiente ejemplo es una red de un amplificador FET en
cascada.
Donde las impedancias de entrada de la etapa 1 y 2 son:
Z i = RG1
Z o = RD2
El análisis de CD y AC para amplificadores en cascada es el
mismo que se realiza para una etapa individual.
Ejemplo 1: Calcule la ganancia de voltaje, impedancias de
entrada y salida. Y finalmente el voltaje de salida de las
etapas en cascada. Calcule el voltaje para un carga de
10kΩ.
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Amplificador en cascada BJT
El siguiente circuito es un amplificador en cascada con
acoplamiento RC usando BJT.
La ganancia en voltaje esta dada por:
La impedancia de entrada resulta la de la etapa 1 y la
impedancia de salida es la de salida de la segunda etapa:
Z i = R1 || R2 || βre
A1 ≅
− RC || RL
re
Z o = RC || ro
Ejemplo 2: calcule la ganancia de voltaje, voltaje de salida,
impedancias de entrada y salida. Calcule el voltaje para un
carga de 10kΩ del circuito anterior:
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Diferentes combinaciones de etapas FET y BJT
proporcionaran una ganancia alta de voltaje y una alta
impedancia de entrada.
Ejemplo 3 : Utilizando los anteriores cálculos de
polarización calcule Zi, Zo, ganancia en voltaje y el voltaje
de salida
Conexión Cascode
La configuración base-comun presenta una baja impedancia
de entrada. Una conexión Cascode es una conexión en
serie de transistores o uno encima de otro.
La cual ayuda mediante la configuración de emisor común.
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El anterior Cascode esta compuesto de dos etapas
Emisor común (EC)
Base común (BC)
Esta configuración proporciona una alta impedancia de
entrada y una ganancia de voltaje baja.
La configuración de BC asegura que la capacitancia Miller
de entrada sea mínima lo que proporciona una operación
adecuada a alta frecuencia.
Otra conexión alternativa Cascode se muestra a
continuación
La etapa de emisor común
proporciona una ganancia -1
Alta impedancia de entrada
hacia la entrada de la base
común.
La conexión base común
proporciona una alta ganancia
I E 2 ≅ I E1
I C 2 ≅ I C1
IC 2
β
≅
I C1
β
I B 2 ≅ I B1
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Conexión Darlington
Una conexión Darlington opera como una sola unidad
consiguiendo una beta muy grande la cual es el producto
de las ganancias de corriente de los transistores
individuales.
Cuando los transistores tienen ganancias de corriente
diferentes, la conexión Darlington proporcionara una
ganancia de:
β D = β1β 2
β1 = β 2 = β
βD = β 2
La conexión Darlington es común encontrarla en un
encapsulado
NPN Darlington-connected silicon transistor package (2N999).
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Polarización en DC de un circuito Darlington
El siguiente circuito es una configuración Darlington básica con
una ganancia muy alta de corriente βD
El valor de VBE resulta mayor que la de un transistor regular
como se indica en la tabla anterior.
IB =
Vcc − VBE
RB + β D RE
I E = (β D + 1)I B ≈ β D I B
VE = RE I E
VB = VE + VBE
Ejemplo
Calcular los voltajes y corrientes de polarización del
siguiente circuito Darlington:
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Circuito equivalente de AC
El siguiente circuito emisor-seguidor Darlington es
alimentado por una señal de ac mediante el capacitor C1
y la salida esta dada a través del capacitor C2.
El circuito anterior es sustituido por su equivalente:
La impedancia de entrada
del circuito en AC esta
dada por:
Ib =
Vi − Vo
ri
Vo = (I b + β D I b )RE
I b ri = Vi − Vo = Vi − I b (1 + β D )RE
Vi = I b [ri + (1 + β D )RE ] ≈ I b (ri + β D RE )
Vi
= ri + β D RE
Ib
Así la impedancia esta dada por:
Z i = RB || (ri + β D RE )
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Ejemplo:
Calcule la impedancia de entrada del siguiente circuito
para ri = 5kΩ
Ganancia en corriente de AC
La corriente de salida a
través de RE es:
I o = I b + β D I b = I b (1 + β D ) ≈ β D I b
La ganancia de corriente
Io
del transistor es:
= βD
Ib
La ganancia de corriente del circuito:
Mediante la regla de divisor de voltaje:
Ib =
RB
RB
Ii ≈
I
(ri + β D RE ) + RB
β D RE + RB i
Ai =
Io Io Ib
=
Ii Ib Ii
Ai = β D
RB
β D RE + RB
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Ejemplo:
Calcule la ganancia de corriente del circuito ac
Impedancia de Salida de AC
Io =
Para el calculo de la impedancia de salida se utiliza el
siguiente modelo:
V 
Vo Vo
V V
+ − β D I b = o + o − β D  o 
RE ri
RE ri
 ri 
 1 1 βD 
Vo
I o = 
+ +
 RE ri ri 
Zo =
Vo
1
=
Io  1 1 β D

+ +
 RE ri ri



= RE || ri ||
ri
βD
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Ejemplo:
Calculemos la impedancia de salida:
Ganancia de Voltaje de AC
La ganancia se puede calcular mediante el modelo
equivalente de ac:
Vo = (I b + β D I b )RE = I b (RE + β D RE )
Vi = I b ri + (I b + β D I b )RE
Vi = I b (ri + RE + β D RE )
Vo =
Vi
(RE + β D RE )
ri + (RE + β D RE )
Av =
Vo
(RE + β D RE ) ≈ 1
=
Vi ri + (RE + β D RE )
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Ejemplo
Calcule la ganancia de voltaje de ac del siguiente circuito:
3.2 Par Retroalimentado
La operación de este circuito es similar a la configuración
Darlington.
La diferencia radica en que el par retroalimentado utiliza
un transistor PNP para controlar a otro NPN.
Juntos se comportan como un solo dispositivo PNP.
El par retroalimentado ofrece
una ganancia de corriente muy alta.
La cual es el producto de las
ganancias de los transistores
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Polarización en DC
VCC − I C RC − VEB1 − I B1RB = 0
VCC − β1β 2 I B1RC − VEB1 − I B1 RB = 0
I B1 =
VCC − VEB1
RB + β1β 2 RC
I c1 = β1 I B1 = I B 2
I c2 = β 2 I B2 ≈ I E 2
I c = I E1 + I c 2 ≈ I c1 + I c 2
Ejemplo:
Calcule las corrientes y voltajes de polarización de tal
forma que el voltaje de salida Vo sea la mitad del voltaje
de alimentación esto es IcRc = 9 volts.
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Análisis en AC
El siguiente circuito muestra primeramente la sustitución de
los transistores por su modelo, posteriormente se muestra
el mismo circuito arreglado para su análisis
Impedancia de entrada en AC
La impedancia de entrada de ac vista desde Q1es:
I b1 =
Vi − Vo
ri1
Vo = − I C RC ≈ (− β1 I b1 + β 2 I b 2 )RC ≈ (β 2 I b 2 )RC
I b1ri1 = Vi − Vo ≈ Vi − β 2 I b 2 RC
I b1ri1 + β 2 (β1I b1 )RC = Vi
Vi
= ri1 + β 2 β1 RC
I b1
I b 2 = I C1 = β1 I b1
Z i ≈ RB || (ri1 + β 2 β1 RC )
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Ganancia de Corriente en AC
I o = β 2 I b 2 − β1 I b1 − I b1
= β 2 (β1 I b1 ) − (1 + β1 )I b1 ≈ β1β 2 I b1
Io
= β1 β 2
I b1
Ai =
Impedancia de Salida en AC:
Zo =
I o I o I b1
RB
=
= β1 β 2
I i I b1 I i
RB + Z i
Vo
r
r
r
= RC || ri1 || i1 || i1 ≅ i1
Io
β1 β1β 2 β1β 2
Ganancia de Voltaje en AC:
Vo = − I C RC ≈ β1β 2 I b1RC
I b1 =
Vi − Vo
ri1
Vo = Vi − I b1ri1 = Vi −
Av =
Vo
β1β 2 RC
ri1
β1β 2 RC
Vo
1
=
=
Vi 1 + ri1 (β1β 2 RC ) β1β 2 RC + ri1
Ejemplo:
Calcule los parámetros de ac de Zi, Zo, Ai, y Av para el
circuito siguiente con una ri1 =3kΩ:
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3.3 Circuito CMOS, de fuente de corriente,
amplificador diferencial
Los transistores MOSFET son ampliamente utilizados en
circuitos digitales como de canal-n o canal-p.
Estos son conocidos como Complementario MOS (CMOS)
Circuitos de Fuente de Corriente
Una fuente de corriente ideal
proporciona una corriente
constante sin importar la
carga conectada a ella.
Los circuitos de corriente
constante pueden ser
construidos mediante:
FET
BJT
Combinacion
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Fuente de Corriente con JFET
Espejo de Corriente
Este circuito proporciona una corriente constante y es
usado ampliamente en ICs.
La corriente constante es
obtenida de una corriente
de salida que es el reflejo
de otra corriente constante
del mismo circuito.
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Este circuito es adecuado para circuitos integrados, donde
los transistores tienen parámetros idénticos.
Del circuito anterior Ix es una corriente espejo de la
corriente I.
Ambas corrientes de IE e IB son
idénticas
Ambas Q1 y Q2 también
son idénticas
IB =
IE
β +1
I X = IE +
≈
2I E
β
IE
β
=
IC ≈ I E
βI E 2 I E β + 2
+
=
I ≈ IE
β
β
β E
La corriente proporcionada en el colector de Q2 refleja
la de Q1.
VCC − VBE
IX =
RX
Ix
es establecida por Vcc y Rx es espejo de la corriente
que entra al colector de Q2 .
El transistor Q1 esta conectado como diodo
Ejemplos:
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El Siguiente circuito espejo de corriente proporciona una
impedancia de salida mas alta que el circuito clásico.
IX =
VCC − 2VBE
I
β +1
I ≈ IE
≈ IE + E =
RX
β
β E
I ≈ IE = IX
En esta configuración el JFET proporciona una corriente
constante establecida por el valor de IDSS.
Esta corriente es reflejada en Q2 con el mismo valor
I = I DSS
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Amplificador Diferencial
Este tipo de circuito es muy común en IC
Esta compuesto de entradas y
salidas separadas y el emisor
conectados entre si.
Con la configuración anterior es posible obtener
diferentes combinaciones de señales de entrada:
Terminal Simple
Terminal Doble
Una señal de entrada y la otra a tierra
Gracias a la conexión de emisor común la señal operara en ambos
transistores, obteniendo una salida en ambos colectores
Dos señales de entrada de polaridad opuesta
La diferencia de ambas entradas produce la salida en los colectores
Modo Común
La misma señal se aplica a ambas entradas.
La señal de entrada común resulta en señales opuestas en cada
colector, estas señales se cancelan produciendo una salida de 0V.
Sin embargo en la practica no se cancelan del todo obteniendo una
señal resultante.
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Principales características del Amplificador Diferencial
Ganancia muy alta que se obtiene cuando se aplican señales
opuestas en las entradas, en comparación de la ganancia tan
pequeña que se obtiene en un modo común
Polarización en DC
Operación en AC del Amplificador
Diferencial
Se aplican señales de entrada separadas con salidas
separadas.
Cada transistor es
reemplazado por su
modelo equivalente.
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Circuito equivalente de amplificador diferencial.
Ganancia de Voltaje
de una sola terminal
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Considerando a RE muy grande se obtiene el circuito
siguiente:
Operación en modo común
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Uso de una fuente de corriente constante
Ejemplo:
Calcule la ganancia en modo común.
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Amplificador Diferencial: BiFET, BiMOS y
CMOS
Diferencial BiFET el cual es construido por BJTs y FETS
Los transistores BJT son utilizados
como fuente de corriente para
asegurar que ambos FETs esten
polarizados a la misma corriente.
Los JFETS proporcionan una alta
impedancia de entrada
Diferencial BiMOS, utilizada transistores MOSFET a la
entrada y BJTs para las fuentes de corriente.
La impedancia es aun mayor
que la configuracion BiFET
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Amplificador Diferencial CMOS
Utilización de transistores MOSFET complementarios
Los transistores pMOS
proporcionan entradas
opuestas.
Los transistores nMOS
operan como fuentes de
corriente constante.
Este tipo de circuitos es
muy conveniente para
sistemas que operan con
baterias, debido a su baja disipacion de potencia de circuitos
CMOS
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